Un operante intra / extra-dimensionale Set-shift attività per Mice
22 gennaio 2016
Le anomalie cognitive di spostamento dell'insieme attentivo sono una caratteristica fondamentale di molte malattie psichiatriche. Qui, presentiamo lo sviluppo di un nuovo sistema automatico per lo studio efficace delle capacità di set-shifting attenzionale, delle funzioni esecutive e di altre abilità cognitive nei topi con un'elevata validità traslazionale per gli studi sull'uomo.
L'obiettivo generale di questo esperimento è quello di creare un compito automatizzato che viene utilizzato per valutare le funzioni esecutive nei topi e imita anche i test neuropsicologici umani originali. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo delle neuroscienze cognitive. Ad esempio, in che modo il trattamento selettivo, cognitivo o farmacologico può influire sulle funzioni cognitive di ordine superiore rilevanti per i disturbi psichiatrici.
I principali vantaggi di questa tecnica sono che è completamente automatizzata. Evita ogni fonte di soggettività. È molto flessibile e otteniamo una serie di risultati molto selettivi.
Le implicazioni di questa tecnica si estendono alla diagnosi e al trattamento delle disfunzioni esecutive nei disturbi psichiatrici perché consente ampi screening farmacologici e genetici rilevanti per i sintomi cognitivi nei disturbi psichiatrici. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale in quanto la corretta impostazione di questo compito è fondamentale per un esito positivo dell'esperimento. Preparare i topi per l'esperimento acclimatandoli a un unico alloggio e privandoli leggermente di cibo prima del test, come descritto nel protocollo di testo allegato.
Inoltre, prima del test, assicurarsi che ogni camera dell'apparecchio abbia due fori per il naso dotati di raggi fotografici a infrarossi e, tra di loro, un caricatore di cibo con raggi fotografici dove un distributore di pellet eroga il rinforzo alimentare. Successivamente, prepara stimoli mutevoli che variano in tre diverse dimensioni percettive. Un elenco di stimoli suggeriti può essere trovato nella Tabella Uno del protocollo di testo allegato.
Scegli cinque coppie di esemplari per ogni dimensione. Per erogare stimoli olfattivi nei fori del naso, utilizzare un olfattometro a diluizione. Imposta un olfattometro per controllare due fori per il naso, quindi caricalo riempiendo le bottiglie di profumo con profumi di odore diluiti da uno a venti in olio minerale.
Collegare la pompa dell'aria all'ingresso dell'olfattometro e il vuoto alle uscite montate sul dispositivo di innesco del naso. Quindi, collegare l'uscita per l'erogazione degli odori a ciascun ingresso del naso e regolare la portata a 1,5 litri al minuto. Per gli stimoli visivi, posizionare i diodi emettitori di luce sopra ogni foro del naso e fissarli nel pannello metallico della camera.
Collegare ciascun diodo all'interfaccia di uscita. Per gli stimoli tattili, posizionare le texture del pavimento modificabili su un supporto scorrevole sotto un'apertura di tre centimetri per tre davanti a ciascun foro per il naso. Monta le diverse texture in modo che possano essere spostate utilizzando i telai sotto il pavimento.
Prima del test, assicurati di seguire le sessioni di allenamento come descritto nei protocolli di testo allegati per abituare i topi alla camera di prova e alla procedura. In ogni fase del test vero e proprio, misurare il tempo impiegato dal mouse per fare una scelta in ogni presentazione, nonché il tempo impiegato per fare otto scelte corrette su dieci prove consecutive per completare ogni fase. Interrompere la sessione giornaliera dopo 40 minuti o se un mouse non riesce a rispondere per cinque minuti consecutivi.
Terminare la sessione e continuare il giorno successivo, con il mouse sullo stesso livello in cui era stato interrotto. Per il semplice test di discriminazione, introduci i topi a un odore, una luce o una consistenza che sia rilevante in tutti i compiti fino al passaggio extra-dimensionale. In questo esempio, vengono presentati due odori, vaniglia e lavanda, e la vaniglia viene selezionata come risposta corretta.
Per la discriminazione composta, introdurre una seconda dimensione, come la luce, che non indica dove si trova la risposta corretta. Rendi lo stato della luce irrilevante per il risultato e mantieni la vaniglia come risposta corretta. Testare questa discriminazione in modo che la vaniglia sia abbinata sia alla luce blu che alla luce gialla nei test successivi.
Per invertire la discriminazione composta, fate in modo che gli animali imparino che lo stimolo precedentemente corretto è ora errato. Per questo esempio, seleziona lavanda come risposta corretta, con vanilla che ora è la scelta sbagliata. Ancora una volta, abbina il profumo corretto sia alla luce blu che alla luce gialla nei test successivi.
Successivamente, selezionare uno spostamento intradimensionale, in cui si verifica un cambiamento totale nel design. Usa la fragola e la cannella come odori e passa a luci arancioni e bianche. Assicurati che i soggetti del test seguano la stessa dimensione pertinente per trovare la risposta corretta, che è la fragola.
Abbina il profumo sia alla luce arancione che a quella bianca nei test successivi. Quindi chiedi ai topi di eseguire l'inversione del passaggio intradimensionale e di cambiare il profumo corretto in cannella. Ancora una volta, abbina il profumo con le luci arancioni e bianche.
Per un cambiamento intradimensionale, utilizzare le stesse condizioni di prima, ma cambiare le coppie di esemplari con i nuovi odori e luci. Ora, esegui il passaggio extra-dimensionale introducendo le texture come nuova dimensione rilevante. Aggiungere carta vetrata grossolana all'apertura sotto uno dei fori del naso e carta vetrata fine sotto la seconda apertura.
Allo stesso tempo, presenta loro due nuovi odori, come il limone e l'albicocca. Impostare il foro con la carta vetrata grossa corrispondente come risposta corretta. Abbina la carta vetrata grossolana con i profumi di limone e albicocca nei test successivi.
Infine, invertire la risposta corretta in modo che la carta vetrata fine indichi la posizione del foro con la risposta corretta. Abbina la carta vetrata fine con i profumi di limone e albicocca nei test successivi. Per il protocollo bidimensionale, ripetere la procedura di blocco fino allo spostamento extradimensionale.
Invece di passare alla consistenza e all'odore a questo punto, cambia la dimensione pertinente in modo che la luce sia rilevante e l'odore sia irrilevante. Imposta il nuovo spostamento extra-dimensionale in modo che le luci siano ora rosse e verdi, con la luce verde che ora agisce come risposta corretta. L'odore è ora la dimensione irrilevante.
Testare la luce verde abbinata a entrambi gli odori nelle fasi successive. Per l'inversione, utilizzare gli stessi odori ma l'interruttore in modo che la luce rossa sia ora la risposta corretta. Abbina la luce rossa a entrambi gli odori nelle fasi successive.
Una volta che un mouse ha terminato la sessione, pulisci la configurazione con etanolo al 70% per prepararla per il mouse successivo. Esegui sempre i test nello stesso ordine, ma cambia gli stimoli in vari test in modo che ciascuno degli stimoli scelti sia equamente rappresentato nello studio. Inoltre, assicurati di controbilanciare equamente le dimensioni percettive utilizzate all'interno e tra ciascun gruppo sperimentale.
Le discriminazioni visive, tattili e olfattive in questo nuovo apparato hanno richiesto una quantità di tempo simile e un numero simile di prove per raggiungere il criterio, suggerendo che gli animali sono in grado di eseguire discriminazioni semplici indipendentemente dalla dimensione presentata. Quando si utilizza il protocollo stuck-in-set, l'analisi delle prestazioni dei topi rivela che l'effetto di discriminazione in quanto i topi hanno avuto bisogno di più prove e più tempo per risolvere la fase di spostamento extradimensionale rispetto alla discriminazione composta, allo spostamento intradimensionale, allo spostamento intradimensionale 2 e agli stadi di inversione dello spostamento extradimensionale. Questo era vero anche nel protocollo bidimensionale.
Una volta padroneggiato, questo esperimento può essere fatto in 10-12 giorni, compresa tutta la preparazione e la sessione di allenamento.
Panoramica
Questo studio presenta un nuovo sistema automatizzato progettato per valutare lo spostamento dell'insieme attentivo e le funzioni esecutive nei topi, offrendo un'elevata validità traslazionale per gli studi cognitivi umani. Il metodo mira a migliorare la comprensione dei disturbi cognitivi nei disturbi psichiatrici.
Componenti Chiave dello Studio
Ambito Scientifico
- Neuroscienze cognitive
- Disturbi psichiatrici
- Valutazione comportamentale
Sfondo
- Il cambiamento dell'insieme attentivo è fondamentale per comprendere la flessibilità cognitiva.
- Le alterazioni cognitive sono diffuse in diverse condizioni psichiatriche.
- I metodi esistenti spesso mancano di automazione e obiettività.
- Questo studio mira a colmare questa lacuna mediante un nuovo approccio automatizzato.
Scopo dello studio
- Sviluppare un compito automatizzato per valutare le funzioni esecutive nei topi.
- Mimetizzare test neuropsicologici umani per una ricerca traslazionale più efficace.
- Facilitare schermature farmacologiche e genetiche su larga scala relative ai sintomi cognitivi.
Metodi Utilizzati
- Apparato automatizzato per test con fori per poke nasali e rinforzo alimentare.
- Utilizzo di stimoli olfattivi, visivi e tattili per valutazioni diversificate.
- Sedute di addestramento per abituare i topi all'ambiente di prova.
- Misurazione dei tempi di risposta e dell'accuratezza durante le prove.
Risultati principali
- Il sistema automatizzato ha valutato con successo lo spostamento dell'attenzione.
- I risultati hanno indicato una significativa flessibilità cognitiva nei topi.
- Il metodo ha dimostrato un'elevata affidabilità e obiettività.
- Possibili implicazioni per la diagnosi e il trattamento dei disturbi esecutivi.
Conclusioni
- Questo approccio automatizzato migliora lo studio delle funzioni cognitive nei topi.
- Fornisce uno strumento prezioso per la ricerca sui disturbi psichiatrici.
- I risultati supportano un'ulteriore esplorazione dei trattamenti cognitivi.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo compito operante automatizzato di cambio di insieme affronta un'importante lacuna nella ricerca neuropsichiatrica preclinica, fornendo una piattaforma oggettiva ad alto rendimento per valutare la flessibilità cognitiva nei topi. Riproducendo da vicino il paradigma umano di identificazione/discriminazione (ID/ED), consente lo screening traslazionale di composti e modelli genetici rilevanti per il malfunzionamento esecutivo in disturbi come la schizofrenia e il disturbo da deficit di attenzione e iperattività (ADHD). Il sistema supporta la riduzione del rischio meccanicistico e conferisce maggiore affidabilità predittiva nella fase iniziale della scoperta, quantificando la formazione, il passaggio e l'apprendimento della inversione dell'insieme attentivo con elevata flessibilità degli stimoli attraverso dimensioni percettive.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Consente l'analisi di ipotesi terapeutiche che coinvolgono circuiti corticali prefrontali e la modulazione dopaminergica della flessibilità cognitiva.
- Valore operativo: Fornisce letture quantitative automatizzate del cambiamento dell'insieme attentivo, riducendo la variabilità e aumentando la riproducibilità tra laboratori.
- Valore predittivo: Supporta la validazione degli obiettivi misurando i cambiamenti indotti dai farmaci nelle prestazioni nel cambiamento dell'insieme, contribuendo alle decisioni di avanzamento o interruzione per composti attivi sul sistema nervoso centrale.
Sviluppo di screening e saggi
- Prontezza del saggio: Il framework tridimensionale dello stimolo (olfattivo, visivo, tattile) consente una progettazione flessibile del saggio in diverse campagne di screening.
- Scalabilità: L'operazione completamente automatizzata permette l'integrazione in strutture centrali per analisi comportamentali destinate a screening genetici e farmacologici su larga scala.
- Flessibilità dello stimolo: L'elevato numero di stimoli per ogni dimensione supporta discriminazioni complesse e riduce i bias nell'apprendimento, aumentando la robustezza del saggio.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Rilevanza per le malattie: Modella direttamente i deficit del cambiamento dell'insieme attentivo osservati nei disturbi psichiatrici, sostenendo la validità traslazionale.
- Continuità preclinica: Permette una valutazione longitudinale dalla fase iniziale di scoperta fino alla validazione preclinica, utilizzando endpoint comportamentali costanti.
- Avanzamento basato sul rischio: Le prestazioni nelle fasi di spostamento extradimensionale forniscono un endpoint di tipo biomarcatore per prevedere l'efficacia cognitiva delle terapie sperimentali.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il compito si inserisce nel percorso di scoperta che va dalla validazione del bersaglio all'identificazione del capostazione, offrendo un saggio comportamentale standardizzato che collega lo studio del meccanismo di base allo screening fenotipico. L'automazione e gli output quantificabili supportano l'integrazione in pipeline di valutazione multimodali per la scoperta di farmaci neuropsichiatrici.
- Biologia della scoperta: Facilita la verifica di ipotesi sui circuiti neurali alla base della flessibilità cognitiva, consentendo la chiarificazione dei percorsi e la riduzione del rischio dei bersagli.
- Screening: Fornisce metriche quantitative e riproducibili delle prestazioni (ad esempio, numero di prove per raggiungere il criterio, latenza della risposta) adatte a formati di screening ad alto contenuto.
- Analisi: Genera dati sulle prestazioni specifici per ogni fase che permettono il confronto tra diversi genotipi, trattamenti e condizioni sperimentali mediante curve di apprendimento standardizzate.
- Ricerca traslazionale: Si allinea agli esiti clinici ID/ED, supportando l'allineamento dei biomarcatori e la validazione interspecie degli endpoint cognitivi.
- Riutilizzo aziendale: Progettato come piattaforma riutilizzabile per test ripetuti in diversi studi, riduce l'onere di rivalidazione e consente il monitoraggio longitudinale di coorti.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nella validazione degli obiettivi riducendo l'ambiguità meccanicistica nei fenotipi cognitivi.
- Valore operativo: La standardizzazione attraverso l'automazione riduce al minimo i bias dell'operatore e aumenta la riproducibilità tra laboratori.
- Valore strategico: Migliora l'efficienza del capitale consentendo un rilevamento precoce dei deficit cognitivi, riducendo l'abbandono in fase avanzata dello sviluppo di farmaci psichiatrici.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione dei composti aggiustata per il rischio in base ai profili di flessibilità cognitiva, informando le decisioni di avanzamento nei portafogli del sistema nervoso centrale.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in neuroscienze comportamentali e protocolli di condizionamento operante per un addestramento e un'esecuzione corretti.
- Richiede l'uso di apparecchiature specializzate, tra cui sistemi di nose poke, sistemi di somministrazione di stimoli (olfattometro, matrici di LED, slittini tattili) e moduli di rinforzo alimentare.
- Necessita di una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro per quanto riguarda i programmi di addestramento, il bilanciamento degli stimoli e i criteri di prestazione, al fine di garantire la comparabilità dei dati.
- L'adattamento a diverse linee di topi o contesti genetici potrebbe richiedere aggiustamenti relativi alla motivazione (ad esempio, livelli di deprivazione alimentare) e alla sensibilità sensoriale.
- I limiti pratici includono la complessità iniziale dell'allestimento e la necessità di un rigoroso bilanciamento degli stimoli per prevenire bias, come indicato nel protocollo.
